При создании аудиофильского компьютера обычно пристальное внимание уделяется снижению общего шума системного блока, подбором малошумящих компонентов. Вторым этапом встает избавление от земляных петель, т.к. они редко бывают явно различимы в виде треска и гула, но порой способны существенно снизить качество звучания, особенно с дорогостоящей аппаратурой класса Hi-End, где могут отсутствовать различные защиты от земляных петель для минимизации количества элементов на пути сигнала или просто разработчикам не пришло в голову защитить свое устройство от не стандартных условий эксплуатации.
Рекомендаций по акустическому уровню шума можно найти в разных материалах, а ниже будет описано, как избавится от земляных петель.
Связанная информация
- Практические советы по разработке печатных плат
Я не отрицаю, что можно разработать печатную плату без слоя земли, и во многих случаях вы можете таким способом создать полностью рабочую плату (или, по крайней мере, она будет полностью рабочей при работе в благоприятной среде). И хотя, на мой взгляд, есть несколько ситуаций, в которых выполнение соединений земли с помощью обычных дорожек является неплохой идеей, но полигоны земли – это простой способ улучшить производительность и предотвратить проблемы.
Монтаж заземляющего провода в компьютере
Первоначально попробуйте такую схему – два-три заземляющих провода на материнскую плату и один на планке крепежа внутренних карт.
При использовании одножильного провода нет проблем с его выпрямлением и заданием необходимой формы.
Обязательно контролируйте, что бы провод точно был в изоляции без царапин.
Там, где провод проходит по планке крепежа плат, провод можно зачистить.
После прокладывайте провода от жестких дисков и прочих устройств.
В конечном итоге все провода должны выйти к единой точке.
В единую точку лучше вывести большой длинный болт с шайбами.
При такой конструкции будет просто добавлять провод и наоборот убирать, т.к. в процессе измерений может оказаться, что добавление очередного провода может наоборот ухудшить общий результат. При замене звуковой карты на другую или переставлением карты в другой слот, готовьтесь к перенастройке проводов заново.
Медь – это резистор
В принципиальных схемах провода идеальны, но в реальной жизни таких проводов нет (если кто-то не начал производство печатных плат, используя сверхпроводники…). Физические соединения, включая проводники на печатных платах, представляют собой резисторы с низким значением. Тот факт, что мы часто можем игнорировать это сопротивление соединений, не означает, что оно не влияет на работу схемы. На странице 8 этого документа, опубликованного Analog Devices, автор демонстрирует, что 5-сантиметровая дорожка печатной платы может вносить в оцифрованные значения, генерируемые 16-разрядным АЦП, ошибки, превышающие 1 младший бит.
Расчет сопротивления проводника
\[R= \rho \cdot {L \over T \cdot W} \cdot \left[ 1 + \alpha \cdot (temp — 25) \right]\]
Во многих случаях мы мало что можем сделать, чтобы смягчить влияние сопротивления сигнального проводника: крошечные микросхемы и стремление к миниатюризации схемы часто приводят к переполненным слоям, которые не допускают широких проводников или оптимального размещения компонентов. Однако мы можем улучшить общую ситуацию, используя полигон земли, который уменьшает сопротивление обратного пути.
Это уменьшенное сопротивление обратного пути является фундаментальным преимуществом включения земляного полигона в вашу печатную плату. Он уменьшает шум, вызванный колебаниями обратного тока, и устанавливает более равномерное напряжение земли (поскольку меньшее сопротивление означает меньшее падение напряжения между физически разделенными частями сети земли). Отдав земле целый слой и соединив с помощью переходных отверстий с ним всё, вы сделаете физически реализованную схему более похожей на идеализированную схему на чертеже принципиальной схемы.
Проще и меньше
Земляной полигон улучшает электрические характеристики вашей схемы, одновременно упрощая задачу компоновки и в некоторых случаях уменьшая размер вашей печатной платы. Я не буду останавливаться на этих аспектах, потому что думаю, что они более или менее говорят сами за себя. Полигон позволяет вам получить доступ к сети земли в любом месте, где вы можете сделать переходное отверстие – а сделать переходное отверстие гораздо проще, чем проложить проводник земли через запутанный набор дорожек, полигонов меди и микросхем с мелким шагом выводов.
Эта улучшенная разводка может позволить вам сдвинуть компоненты ближе друг к другу и, таким образом, уменьшить размер платы, хотя есть также вероятность того, что плата в конечном итоге станет больше, если из-за полигона земли вы потеряете один из двух слоев для компонентов (к этому я еще вернусь к концу статьи).
Новый тест
Для многоканальных или многополосных усилителей стоит провести, наверняка новый для вас, тест. Он поможет определить качество блока питания и фильтров развязки вашего усилителя.
Для этого надо нагрузить один канал резистором, сопротивлением 4 или 8 Ом соответственно, мощностью равной и большей максимальной выходной мощности вашего усилителя. На вход этого канала от генератора подать сигнал максимальной амплитуды.
Вход второго канала заземляем, на выход подключаем акустическую систему и слушаем:
Простой тест качества питания усилителя
В идеале, конечно, должна быть полная тишина. Если вы что-то услышите, значит цепи питания вашего усилителя нуждаются в доработке!
Однажды автору попалась колонка с активными фильтрами и раздельными усилителями для НЧ и ВЧ полос. В результате такого теста можно было без проблем услышать проникновение гармоник НЧ-сигнала в твиттер. Колонка была возвращена производителю на доработку.
На рисунке представлена схема ретро-усилителя мощности:
Простой усилитель мощности в стиле «ретро» (увеличение по клику)
В опытном образце сигнальная земля была подключена к основной земле через развязывающий резистор в 10 Ом. Это существенно снизило уровень фона усилителя.
Обратите внимание как подключены проводники к фильтрующему конденсатору:
Пример монтажа питающих цепей усилителя
нижний вывод конденсатора — земля. Нагрузка к нему подключена по правилам — «звездой», хотя внешне на звезду не похоже.
Избегайте земляных петель
По моему опыту, термин «земляная петля» может относиться к любой ситуации, в которой на систему влияет разница потенциалов у земли. Типовым примером является случай, когда два модуля соединены длинным кабелем, и обратный ток в кабеле приводит к тому, что напряжение земли одного модуля значительно выше, чем напряжение земли другого модуля. Однако в этом обсуждении я имею в виду конкретно петлю из проводников земли; например:
Пример «земляной петли»
Если вам необходимо выполнить много соединений с землей с помощью отдельных проводников на печатной плате, то вам не составит труда создать петлю, подобную показанной выше. Если вы читали мою статью о взаимной индуктивности, вы знаете, что такого рода проводящая петля является хорошим приемником магнитных помех.
Наличие земляного полигона не делает невозможным создание земляной петли, поскольку CAD-программа не помешает вам рисовать дорожки между точками соединения с землей. Но если вы соединения с землей выполняете последовательно, используя переходные отверстия, проблема должна в значительной степени исчезнуть: выводя переходные отверстия на полигон, вы создаете прямое соединение от компонента к точке земли, которая через низкое сопротивление соединяется ко всем остальным точкам земли в схеме.
Правильное соединение компонентов с земляным полигоном
Чем делать измерения?
Сперва можно сделать оптимизацию звуковой карты в режиме Loop, чистый спектр в loop ничего не говорит о земляных петлях с внешним оборудованием, поэтому, надо измерять уровень шумов с конечного элемента, к примеру с выхода усилителя для наушников или усилителя для АС с конечных клемм. Пугаться подключать выход с усилителя к звуковой карте не стоит, у усилителя выходное напряжение порядка 5-25 В при входном напряжении звуковой карты 1-2 В, чего для анализа шумов более чем достаточно. Единственное, подключать все нужно исключительно при обесточенном оборудовании! Иначе есть шанс словить искру при подключении и вывести из строя звуковую карту. Если у усилителя нет множества защитных режимов и он любит издавать хлопок при включении, то в таком случае есть все шансы повредить оборудование. В этом случае, сперва включайте усилитель, а только потом компьютер. Наиболее простой софт для теста земляных петель – RMAA, тестирует быстро и есть возможность запомнить результат. Помимо этого, можно вести запись в любом из аудио редакторов, от бесплатного Audacity до триал-версий редакторов, таких как Adobe Audition с бесплатным ознакомительным периодом.
Встроенный экран
Сплошной земляной полигон обеспечивает некоторую степень защиты от электромагнитных помех (как излучаемых, так и принимаемых). Я бы не стал полагаться на землю для решения всех проблем с электромагнитными помехами, особенно если у вас есть компоненты на обеих сторонах платы; тщательно спроектированный проводящий корпус был бы более эффективным. Тем не менее, всё немного помогает, и если вы беспокоитесь об электромагнитных помехах, у вас есть еще одна причина для включения полигона земли в компоновку вашей платы.
Борьба не за жизнь, а за звук. Как устранить помехи и наводки в звуковых трактах
Наконец-то я накопил достаточно информации, что бы об этом написать. Довольно актуальная тема, так как такие проблемы я встречал у многих знакомых и друзей. Многих мучает вопрос, откуда берутся наводки, и как это лечить. Все что пишу ниже — испробовано лично, не без опыта людей, имевших такие же проблемы, и прошу Вас воздержаться от критики и вникнуть в суть проблемы и её лечение. Могу сказать, что я попробовал все, что можно, что реально или нереально. Любой посторонний звук, которого быть не должно можно убрать, имея представление об электротехнике и прямы руки. Приступим… Я собрал систему. Услышал при пользовании неприятный треск в колонках, в частности в ВЧ динамиках. Треск этот был абсолютно ровным и ускорялся при нажатии на педаль газа. Так же треск сопровождался неприятными писками.
Практические препятствия
Я не могу представить сценарий, при котором четырехслойная печатная плата не имела бы земляного полигона. Предполагаю, что вполне возможно, что при очень плотной компоновки для нормальной разводки сигналов потребуются оба внутренних слоя, но, честно говоря, это кажется маловероятным: да, полигон занимает площадь платы, но за счет упрощения соединений с землей он также уменьшает общую площадь области разводки платы.
Гораздо более реалистичный сценарий состоит в том, что земляной полигон отбрасывается, потому что проблемы со временем или бюджетом приводят к выбору двухслойной платы. Теперь земляной полигон будет занимать один из двух слоев печатной платы. Действительно, стоит ли выделять слой под землю, если это означает, что почти все дорожки и компоненты перемещаются на один слой? На мой взгляд, да, всё же лучше добавить земляной полигон, если схема не настолько проста, что для организации земляных соединений вы можете использовать хорошо организованные дорожки с низким сопротивлением. Но, честно говоря, если ваши ограничения по размеру настолько сильны, что вы не можете сделать плату достаточно большой, чтобы разместить земляной полигон снизу, а аккуратную компоновку сверху, вам стоит перейти к четырехслойной плате.
Это первый слой для двухслойной платы, которую я разработал некоторое время назад. Иногда вам действительно нужен второй слой в качестве пути обхода для нескольких сложных соединений, и это не главная проблема. Слой полигона не обязательно должен быть на 100% занят землей.
Резюме
Добавление слоя с земляным полигоном на печатную плату – это простой, недорогой, высокоэффективный способ проектирования электронных устройств, которые имеют лучшую целостность сигнала, бо́льшую аккуратность и бо́льшую устойчивость к помехам. Если вы еще не привыкли использовать слой с полигоном земли, вспомните о его преимуществах, когда придет время разрабатывать следующую плату.
Оригинал статьи:
- Robert Keim. PCB Layout Tips and Tricks: Use a Ground Plane Whenever Possible